FR2757319A1 - EMISSION FREQUENCY MICROLASER MODULATED WITH A PIEZOELECTRIC OR ELECTRO-OPTIC ELEMENT - Google Patents
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Abstract
Description
MICROLASER A FREQUENCE D'EMISSION MODULEE A L'AIDE D'UN
ELEMENT PIEZOELECTRIQUE OU ELECTRO-OPTIQUE
DESCRIPTION
Domaine technique
L'invention se rapporte au domaine des microlasers solides.TRANSMIT FREQUENCY MICROLASER MODULATED USING A
PIEZOELECTRIC OR ELECTRO-OPTICAL ELEMENT
DESCRIPTION
Technical area
The invention relates to the field of solid microlasers.
Un microlaser présente une structure qui consiste en un empilement de multicouches. Le milieu actif laser est constitué par un matériau de faible épaisseur (comprise par exemple entre 150 et 1000 um) et de petite dimension (section de tordre de quelques mm2) r sur lequel des miroirs diélectriques de cavité sont directement déposés. Ce milieu actif peut être pompé par une diode laser III-V qui est soit directement hybridée sur le microlaser, soit couplée à ce dernier par fibre optique. A microlaser has a structure which consists of a stack of multilayers. The active laser medium consists of a material of small thickness (for example between 150 and 1000 μm) and of small dimension (twisting section of a few mm 2) r on which dielectric cavity mirrors are directly deposited. This active medium can be pumped by a III-V laser diode which is either directly hybridized on the microlaser, or coupled to the latter by optical fiber.
Les microlasers ont de nombreuses applications, dans des domaines aussi variés que l'industrie automobile, l'environnement, l'instrumentation scientifique ou la télémétrie. Microlasers have many applications, in fields as varied as the automotive industry, the environment, scientific instrumentation or telemetry.
Pour une longueur suffisamment courte de la cavité Fabry-Pérot du microlaser, il est possible d'obtenir une seule raie d'émission laser, alors que la structure transverse du faisceau est proche du mode théorique TEMoo (le faisceau est circulaire et gaussien)
Les microlasers à fréquence d'émission modulée trouvent des applications dans le domaine de l'analyse chimique de constituants gazeux, de l'analyse des champs de vitesse, de la métrologie sans contact, de l'imagerie laser, ou de l'instrumentatLon médicale. For a sufficiently short length of the Fabry-Perot cavity of the microlaser, it is possible to obtain a single laser emission line, while the transverse structure of the beam is close to the theoretical TEMoo mode (the beam is circular and Gaussian)
Modulated emission frequency microlasers find applications in the field of chemical analysis of gaseous constituents, analysis of velocity fields, non-contact metrology, laser imaging, or medical instrumentation. .
On connait diverses techniques pour accorder, ou moduler, la longueur d'onde d'émission laser. Various techniques are known for tuning, or modulating, the laser emission wavelength.
Selon une première technique, décrite par exemple dans l'article J.J Zayhowski intitulé "Microchip Lasers", paru dans The Lincoln Laboratory
Journal, vol. 3, n"3, page 427 et suivantes, 1990, un élément piézoélectrique permet d'appliquer une force transversale sur la structure du microlaser, ce qui engendre une modulation de la fréquence optique de quelques MHz, pour une récurrence de modulation allant du continu à 40 ns. La tension appliquée aux bornes de l'élément piézoélectrique est comprise entre -1000 V et + 1000 V, ce qui pose des problèmes de compatibilité électromagnétique. Ceci impose également de trouver une électronique sophistiquée incompatible avec la simplicité et le faible coût de production des microlasers.According to a first technique, described for example in the article JJ Zayhowski entitled "Microchip Lasers", published in The Lincoln Laboratory
Journal, vol. 3, n "3, page 427 et seq., 1990, a piezoelectric element makes it possible to apply a transverse force on the structure of the microlaser, which generates a modulation of the optical frequency of a few MHz, for a modulation recurrence ranging from continuous at 40 ns. The voltage applied to the terminals of the piezoelectric element is between -1000 V and + 1000 V, which poses problems of electromagnetic compatibility. This also requires finding sophisticated electronics incompatible with simplicity and low cost. microlasers production.
Une autre technique consiste à introduire dans la cavité microlaser un élément électro-optique : une telle technique est décrite par exemple dans l'article
J.J. Zayhowski et al. Intitulé : "Diode pumped composite cavity electro-optically tuned microchip
Laser", paru dans IEEE Photonics Technology Letters, vol. 5, ne10, pp. 1153, Octobre 1993. La structure décrite dans ce document nécessite le collage d'un matériau électro-optique sur le milieu actif laser. Des électrodes sont disposées en vis-à-vis selon la direction de l'axe cristallographique C du milieu électro-optique. Une excursion de la fréquence optique de 30 GHz a été observée en appliquant une tension variant de -1000 V à +1000 V sur le cristal électrooptique. Ce type de dispositif présente des difficultés de mise en oeuvre. Il est difficile de faire cohabiter tous les éléments, pour des problèmes de compatibilité électromagnétique. De plus, la valeur importante de variation de tension nécessaire au fonctionnement du dispositif nécessite une électronique sophistiquée incompatible avec la simplicité et le bas coût de production du microlaser.Another technique consists in introducing an electro-optical element into the microlaser cavity: such a technique is described for example in the article
JJ Zayhowski et al. Title: "Diode pumped composite cavity electro-optically tuned microchip
Laser ", published in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 5, ne10, pp. 1153, October 1993. The structure described in this document requires the bonding of an electro-optical material on the active laser medium. Electrodes are arranged in vis-à-vis in the direction of the crystallographic axis C of the electro-optical medium An excursion of the optical frequency of 30 GHz was observed by applying a voltage varying from -1000 V to +1000 V on the electrooptic crystal. This type of device presents difficulties of implementation. It is difficult to make all the elements cohabit, for problems of electromagnetic compatibility. In addition, the large value of voltage variation necessary for the operation of the device requires sophisticated electronics incompatible with the simplicity and low cost of production of the microlaser.
D'autres techniques ont été proposées pour obtenir une modulation de fréquence. Par exemple, une modulation de la fréquence optique peut être obtenue en modulant la puissance du faisceau de pompage : cette technique est décrite dans l'article de J.J. Zayhowski et al. intitulé "Frequency tuning of microchip lasers using pump-power modulation" paru dans IEEE J. Of
Quantum Electronics, vol. 28, n" 4, p. 1118, Avril 1992. Le principal inconvénient de ce procédé de modulation provient du fait qu'une modulation d'amplitude accompagne la modulation de fréquence.Other techniques have been proposed for obtaining frequency modulation. For example, modulation of the optical frequency can be obtained by modulating the power of the pumping beam: this technique is described in the article by JJ Zayhowski et al. entitled "Frequency tuning of microchip lasers using pump-power modulation" published in IEEE J. Of
Quantum Electronics, vol. 28, n "4, p. 1118, April 1992. The main drawback of this modulation process comes from the fact that amplitude modulation accompanies frequency modulation.
Cette modulation d'amplitude est indésirable dans la plupart des applications. De plus, l'amplitude du balayage en fréquence est faible, car limitée par la variation de température du cristal amplificateur créée par les variations de la puissance de pompe.This amplitude modulation is undesirable in most applications. In addition, the amplitude of the frequency sweep is low, because it is limited by the temperature variation of the amplifier crystal created by the variations in the pump power.
Exposé de l'invention
L'invention a pour objet une structure de microlaser comportant des moyens de modulation en fréquence, et présentant une efficacité de modulation élevée.Statement of the invention
The subject of the invention is a microlaser structure comprising frequency modulation means, and having a high modulation efficiency.
L'invention a pour objet une cavité microlaser comportant - un milieu actif solide ayant des propriétés
piézoélectriques ou électro-optiques, - un miroir d'entrée, - un miroir de sortie, - des moyens pour appliquer au milieu actif solide un
champ électrique longitudinal.The subject of the invention is a microlaser cavity comprising - a solid active medium having properties
piezoelectric or electro-optical, - an input mirror, - an output mirror, - means for applying to the solid active medium a
longitudinal electric field.
Dans une telle structure, qui est à la fois monolithique et de faibles dimensions, le chemin optique dans la cavité laser est modifié par application, au milieu actif solide, du champ électrique longitudinal. Ce dernier permet de modifier les propriétés piézoélectriques ou électro-optiques de ce milieu actif. In such a structure, which is both monolithic and of small dimensions, the optical path in the laser cavity is modified by application, to the solid active medium, of the longitudinal electric field. The latter makes it possible to modify the piezoelectric or electro-optical properties of this active medium.
On entend par champ longitudinal un champ dirigé suivant l'axe de pompage et d'émission de la cavité microlaser. The term “longitudinal field” is understood to mean a field directed along the pumping and emission axis of the microlaser cavity.
Une telle structure permet d'obtenir une efficacité de modulation plus importante que dans les dispositifs connus selon l'art antérieur. En particulier, pour les structures du type piézoélectrique, fonctionnant à la résonance, la résonance mécanique peut être obtenue avec de faibles tensions de commande (de 1 à 100 volts). A la résonance, des déformations longitudinales de la cavité de plusieurs centaines de nanomètres sont possibles. Such a structure makes it possible to obtain a greater modulation efficiency than in the devices known according to the prior art. In particular, for piezoelectric type structures, operating at resonance, mechanical resonance can be obtained with low control voltages (from 1 to 100 volts). At resonance, longitudinal deformations of the cavity of several hundred nanometers are possible.
Ceci entraine une variation de fréquence de plusieurs dizaines de Gigahertz (typiquement de 1 à 100 GHz).This causes a frequency variation of several tens of Gigahertz (typically from 1 to 100 GHz).
En outre, l'application d'un champ électrique longitudinal n'affecte pas la structure transverse du faisceau laser. Au contraire, la plupart des dispositifs utilisant l'effet électro-optique mettent en oeuvre l'effet électro-optique transverse ; c'est le cas, par exemple du dispositif décrit dans l'article de
Zayhowski et al. intitulé "Diode pumped composite cavity électro-optically tuned microchip laser", IEEE
Photonics Technology Letters, vol. 5, n" 10, p. 1153,
Oct. 1993. Dans ce type de structure certains problèmes ont été observés : en particulier il existe un effet piézoélectrique résiduel, difficile à éliminer, qui altère la pureté du mode laser TEMoo. I1 y a apparition de modes transverses parasites. Cet effet, qui entraîne une instabilité de puissance du laser et diminue par ailleurs la longueur de cohérence du laser, n'apparaît pas dans un dispositif selon l'invention.In addition, the application of a longitudinal electric field does not affect the transverse structure of the laser beam. On the contrary, most devices using the electro-optical effect implement the transverse electro-optical effect; this is the case, for example of the device described in the article by
Zayhowski et al. entitled "Diode pumped composite cavity electro-optically tuned microchip laser", IEEE
Photonics Technology Letters, vol. 5, n "10, p. 1153,
Oct. 1993. In this type of structure certain problems have been observed: in particular there is a residual piezoelectric effect, difficult to eliminate, which alters the purity of the TEMoo laser mode. There is an appearance of parasitic transverse modes. This effect, which results in laser power instability and also reduces the coherence length of the laser, does not appear in a device according to the invention.
Dans le microlaser selon l'invention, on peut travailler avec de faibles tensions de commande pour moduler la fréquence d'émission du laser : ce dispositif se compare donc favorablement du point de vue de la compatibilité électromagnétique, avec les dispositifs de l'art antérieur. Par exemple, dans le cas piézoélectrique, à la résonance, les tensions de commande s'échelonnent de 1 à 100 volts. In the microlaser according to the invention, it is possible to work with low control voltages to modulate the emission frequency of the laser: this device therefore compares favorably from the point of view of electromagnetic compatibility, with the devices of the prior art . For example, in the piezoelectric case, at resonance, the control voltages range from 1 to 100 volts.
Enfin, dans un tel dispositif, il n'y a pas de changement de polarisation du faisceau laser pour un fonctionnement dynamique. Classiquement, lorsque le champ est appliqué selon l'ace C du cristal, supposé uniaxe, l'onde se propage dans un milieu dont la biréfringence s'écrit, pour un cristal de symétrie 3m:
Finally, in such a device, there is no change in polarization of the laser beam for dynamic operation. Conventionally, when the field is applied according to the area C of the crystal, assumed to be uniaxial, the wave propagates in a medium whose birefringence is written, for a crystal of symmetry 3m:
C'est le cas du LiTaO3 et du LiNbO3. La modulation de la biréfringence peut induire un basculement de polarisation Si le champ E est trop important. This is the case for LiTaO3 and LiNbO3. The modulation of the birefringence can induce a polarization shift if the E field is too large.
Dans l'invention, au contraire, ceci n'est théoriquement pas possible puisque l'application du champ E ne modifie pas l'état de biréfringence du cristal, à condition de placer l'axe C du cristal selon le sens de propagation de la lumière, le champ E étant lui-même appliqué selon l'axe C
Les moyens pour appliquer au milieu actif solide un champ électrique longitudinal peuvent comporter une première et une deuxième électrodes, disposées à l'entrée et à la sortie de la cavité microlaser.In the invention, on the contrary, this is theoretically not possible since the application of the field E does not modify the state of birefringence of the crystal, provided that the axis C of the crystal is placed according to the direction of propagation of the light, the field E being itself applied along the axis C
The means for applying a longitudinal electric field to the solid active medium may comprise first and second electrodes, arranged at the inlet and at the outlet of the microlaser cavity.
En particulier, ces électrodes peuvent comporter chacune une couche de matériau conducteur, formée sur une des faces de la cavité microlaser. In particular, these electrodes may each comprise a layer of conductive material, formed on one of the faces of the microlaser cavity.
Le matériau constitutif d'une telle couche a de préférence des propriétés micro-optiques de transparence et de réflectivité adaptées à la face de la cavité du microlaser sur laquelle elle est déposée. The material constituting such a layer preferably has micro-optical properties of transparency and reflectivity adapted to the face of the cavity of the microlaser on which it is deposited.
Un tel matériau peut être de 1'ITO, ou de l'oxyde d'indium, ou de l'oxyde d'étain dopé à l'antimoine ou au fluor, ou de l'oxyde de zinc dopé à l'aluminium, au gallium ou à l'indium. Such a material can be ITO, or indium oxide, or tin oxide doped with antimony or fluorine, or zinc oxide doped with aluminum, gallium or indium.
Au moins une des deux couches de matériau conducteur peuvent être déposées entre un des deux miroirs d'entrée et de sortie de la cavité microlaser, et le milieu actif laser. At least one of the two layers of conductive material can be deposited between one of the two input and output mirrors of the microlaser cavity, and the active laser medium.
Des contacts métalliques peuvent être formés sur chaque électrode : ceci permet de favoriser une répartition homogène du potentiel et permet d'obtenir une déformation symétrique de la structure. Metal contacts can be formed on each electrode: this makes it possible to promote a homogeneous distribution of the potential and makes it possible to obtain a symmetrical deformation of the structure.
Le milieu actif laser peut être du
(LalxNdx)3Gassiola et, par exemple, du La3GasSiOl4, qui présentent des propriétés piézoélectriques. The active laser medium can be
(LalxNdx) 3Gassiola and, for example, La3GasSiOl4, which have piezoelectric properties.
Ce peut être aussi du Nd:LiTaO3:MgO, qui présente des propriétés électro-optiques. It can also be Nd: LiTaO3: MgO, which has electro-optical properties.
Selon un autre mode de réalisation, une cavité microlaser selon l'invention comporte - un milieu actif solide, - un miroir d'entrée, - un miroir de sortie, - un élément en un matériau piézoélectrique ou électro
optique, - des moyens pour appliquer à l'élément piézoélectrique
ou électro-optique un champ électrique longitudinal.According to another embodiment, a microlaser cavity according to the invention comprises - a solid active medium, - an input mirror, - an output mirror, - an element made of a piezoelectric or electro material
optical, - means for applying to the piezoelectric element
or electro-optic a longitudinal electric field.
Ce second mode de réalisation présente les mêmes avantages que le premier : par rapport aux dispositifs connus, l'efficacité de modulation est plus importante et les tensions de commande à appliquer sont plus faibles. En outre, cette structure n'affecte pas la structure transverse du microlaser et il n'y a pas de changement de polarisation du faisceau en fonctionnement dynamique. This second embodiment has the same advantages as the first: compared with known devices, the modulation efficiency is greater and the control voltages to be applied are lower. In addition, this structure does not affect the transverse structure of the microlaser and there is no change in polarization of the beam in dynamic operation.
Là encore, on entend par champ longitudinal un champ dirigé suivant l'axe de pompage et/ou d'émission de la cavité microlaser. Here again, the term “longitudinal field” is understood to mean a field directed along the pumping and / or emission axis of the microlaser cavity.
Dans ce second mode de réalisation, les moyens pour appliquer à l'élément piézoélectrique ou électrooptique un champ électrique longitudinal peuvent comporter une première et une deuxième électrodes disposées de part et d'autre dudit élément. In this second embodiment, the means for applying a longitudinal electric field to the piezoelectric or electrooptical element may comprise first and second electrodes arranged on either side of said element.
Ainsi, la première électrode peut être située entre le milieu actif laser et l'élément électrooptique ou piézoélectrique, et comporte une couche de matériau conducteur transparente à la longueur d'onde du faisceau laser. Cette électrode peut être par exemple en ITO. Thus, the first electrode can be located between the active laser medium and the electrooptic or piezoelectric element, and comprises a layer of conductive material transparent to the wavelength of the laser beam. This electrode can be for example ITO.
Avantageusement, on peut disposer entre le milieu actif laser et l'élément piézoélectrique, ou électro-optique, un film de colle d'indice sensiblement égal à 2 et d'épaisseur sensiblement égale à un multiple de S/4, où k désigne la longueur d'onde d'émission du microlaser : ces conditions permettent d'obtenir des réflectivités parasites négligeables à l'interface entre le milieu actif solide et l'élément piézoélectrique ou électro-optique dans le cas du
YAG: Nd/LiTaO3.Advantageously, it is possible to have between the active laser medium and the piezoelectric element, or electro-optic, a film of adhesive of index substantially equal to 2 and of thickness substantially equal to a multiple of S / 4, where k denotes the emission wavelength of the microlaser: these conditions make it possible to obtain negligible parasitic reflectivities at the interface between the solid active medium and the piezoelectric or electro-optical element in the case of the
YAG: Nd / LiTaO3.
Une deuxième électrode peut être disposée sur une face extérieure de la cavité microlaser, et être munie d'un trou pour laisser passer le faisceau laser. A second electrode can be arranged on an external face of the microlaser cavity, and be provided with a hole to let the laser beam pass.
Brève description des figures
De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 représente un premier mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2 représente une variante du premier mode de réalisation de l'invention,
- les figures 3A à 3D illustrent des étapes d'un procédé de réalisation d'un dispositif selon l'invention,
- les figures 4 et 5 représentent un autre mode de réalisation de l'invention. Brief description of the figures
In any case, the characteristics and advantages of the invention will appear better in the light of the description which follows. This description relates to the exemplary embodiments, given by way of explanation and without limitation, with reference to the appended drawings in which
FIG. 1 represents a first embodiment of the invention,
FIG. 2 represents a variant of the first embodiment of the invention,
FIGS. 3A to 3D illustrate steps of a method for producing a device according to the invention,
- Figures 4 and 5 show another embodiment of the invention.
Description détaillée de modes de réalisation de l'invention
Un premier mode de réalisation de l'invention va être décrit en liaison avec la figure 1. Sur cette figure, la référence 2 désigne un milieu actif laser qui forme, avec des miroirs d'entrée et de sortie 4, 6 une cavité microlaser.Detailed description of embodiments of the invention
A first embodiment of the invention will be described in connection with FIG. 1. In this figure, the reference 2 designates an active laser medium which forms, with input and output mirrors 4, 6 a microlaser cavity.
Ce milieu présente des propriétés piézoélectriques ou électro-optiques. Diverses matrices laser peuvent présenter de tels effets et sont disponibles sur le marché. Par exemple, le La3GasSiO14 présente un effet piézoélectrique, tandis que le
Nd:MgO:LiNbO3 peut être utilisé pour exploiter l'effet électro-optique. Par ailleurs, toutes les matrices piézo-électriques ou électro-optiques peuvent recevoir un ion actif laser et être utilisées comme milieu actif laser.This medium has piezoelectric or electro-optical properties. Various laser arrays can exhibit such effects and are available on the market. For example, La3GasSiO14 has a piezoelectric effect, while the
Nd: MgO: LiNbO3 can be used to exploit the electro-optical effect. Furthermore, all piezoelectric or electro-optical matrices can receive an active laser ion and be used as an active laser medium.
Des électrodes 8, 10 sont disposées de part et d'autre de la cavité microlaser. En fait, dans l'exemple donné, ces électrodes sont réalisées sous la forme de couches minces sur les miroirs d'entrée et de sortie 4, 6 de la cavité microlaser. Ces électrodes permettent d'appliquer un champ électrique longitudinal
E à l'intérieur de la cavité microlaser. Ce champ électrique est dirigé sensiblement suivant l'axe de la cavité, c'est-à-dire suivant l'axe de propagation d'un faisceau de pompage 14 du milieu actif laser et du faisceau laser 16 émis par le microlaser. Les électrodes 8, 10 sont reliées, par l'intermédiaire de contacts 18, 20 à des moyens pour fournir une tension appropriée. Ces moyens ne sont pas représentés sur les figures. L'application du champ électrique E permet d'utiliser les propriétés électro-optiques ou piézoélectriques du milieu actif laser 2.Electrodes 8, 10 are arranged on either side of the microlaser cavity. In fact, in the example given, these electrodes are produced in the form of thin layers on the input and output mirrors 4, 6 of the microlaser cavity. These electrodes allow a longitudinal electric field to be applied
E inside the microlaser cavity. This electric field is directed substantially along the axis of the cavity, that is to say along the axis of propagation of a pumping beam 14 of the active laser medium and the laser beam 16 emitted by the microlaser. The electrodes 8, 10 are connected, via contacts 18, 20 to means for supplying an appropriate voltage. These means are not shown in the figures. The application of the electric field E makes it possible to use the electro-optical or piezoelectric properties of the active laser medium 2.
Sur la figure 1, la référence 12 désigne une diode de pompage du milieu actif laser. In FIG. 1, the reference 12 designates a diode for pumping the active laser medium.
De préférence, les couches minces 8, 10 présentent des propriétés optiques adaptées aux faces du microlaser sur lesquelles elles sont déposées. Preferably, the thin layers 8, 10 have optical properties adapted to the faces of the microlaser on which they are deposited.
Ainsi, si la couche 8 est déposée du côté du microlaser par lequel rentre le faisceau de pompage 14, cette couche sera transparente, c'est-à-dire présentera un certain degré de transparence au faisceau de pompage.Thus, if the layer 8 is deposited on the side of the microlaser through which the pumping beam 14 enters, this layer will be transparent, that is to say will present a certain degree of transparency to the pumping beam.
En outre, elle peut être transparente à la longueur d'onde du laser. Pour la couche 10, déposée de l'autre côté, celle-ci est au moins transparente, c'est-à-dire présente un certain degré de transparence, à la longueur d'onde d'émission du faisceau laser 16.In addition, it can be transparent at the wavelength of the laser. For the layer 10, deposited on the other side, this is at least transparent, that is to say has a certain degree of transparency, at the emission wavelength of the laser beam 16.
Les matériaux susceptibles de remplir ces conditions sont pour la majorité des oxydes, dont les plus courants sont l'oxyde d'indium, l'oxyde d'indium dopé à l'étain (ITO), l'oxyde d'étain dopé à l'antimoine ou au fluor, l'oxyde de zinc dopé à l'aluminium, ou au gallium, ou à l'indium. The materials capable of fulfilling these conditions are for the majority of oxides, the most common of which are indium oxide, indium oxide doped with tin (ITO), tin oxide doped with l antimony or fluorine, zinc oxide doped with aluminum, or gallium, or indium.
Les contacts métalliques 18, 20 sont de préférence déposés sur chaque électrode 8, 10 pour favoriser une répartition homogène du potentiel dans l'électrode. Ceci permet d'obtenir une déformation symétrique de la structure
La figure 2 représente une variante de ce premier mode de réalisation : des références numériques identiques à celles de la figure 1 y désignent des éléments identiques ou correspondants. Sur la figure 2, les électrodes de commande du champ électrique à l'intérieur du milieu actif laser ou de la cavité microlaser sont déposées directement en contact avec le milieu actif laser, et les miroirs 4, 6 sont déposés sur ces couches d'électrodes 8, 10. Les propriétés de transparence et/ou de réflectivité des couches 8, 10 sont les mêmes que celles énoncées ci-dessus, suivant le côté (entrée ou sortie de la cavité microlaser) sur lesquels elles sont situées.The metal contacts 18, 20 are preferably deposited on each electrode 8, 10 to promote a homogeneous distribution of the potential in the electrode. This makes it possible to obtain a symmetrical deformation of the structure
FIG. 2 represents a variant of this first embodiment: numerical references identical to those of FIG. 1 designate identical or corresponding elements therein. In FIG. 2, the electrodes for controlling the electric field inside the active laser medium or the microlaser cavity are deposited directly in contact with the active laser medium, and the mirrors 4, 6 are deposited on these layers of electrodes 8, 10. The transparency and / or reflectivity properties of the layers 8, 10 are the same as those set out above, depending on the side (inlet or outlet of the microlaser cavity) on which they are located.
Le mode de réalisation expliqué ci-dessus, dans ces deux variantes, présente l'avantage d'une structure compacte par rapport au dispositif mettant en oeuvre d'une part un milieu actif laser et d'autre part un élément électro-optique ou piézoélectrique. En outre, une telle structure est compatible avec une production collective d'un microlaser, ce qui n'est pas le cas des structures piézoélectriques décrites par exemple dans l'article de J.J Zayhowski intitulé "Microchip laser" déjà cité ci-dessus. En effet, dans cette structure de l'art antérieur, l'assemblage des deux composants du microlaser entraîne un coût de fabrication élevé et, par ailleurs, la reproductibilité des performances n'est pas assurée d'un microlaser à l'autre. The embodiment explained above, in these two variants, has the advantage of a compact structure compared to the device using on the one hand an active laser medium and on the other hand an electro-optical or piezoelectric element . In addition, such a structure is compatible with a collective production of a microlaser, which is not the case of the piezoelectric structures described for example in the article by J.J Zayhowski entitled "Laser microchip" already cited above. Indeed, in this structure of the prior art, the assembly of the two components of the microlaser results in a high manufacturing cost and, moreover, the reproducibility of the performances is not ensured from one microlaser to another.
Au contraire, le dispositif selon l'invention à un coût de fabrication faible et la mise en oeuvre d'un procédé de fabrication collectif assure la reproductibilité des performances. On the contrary, the device according to the invention at a low manufacturing cost and the implementation of a collective manufacturing process ensures the reproducibility of the performances.
Un procédé de réalisation d'un microlaser selon l'invention va maintenant être décrit, en liaison avec les figures 3A à 3D. A method of producing a microlaser according to the invention will now be described, in conjunction with FIGS. 3A to 3D.
Une première étape (figure 3A) consiste à choisir le matériau actif laser, à l'orienter et à le découper en lames 30, d'épaisseur comprise entre par exemple quelques centaines de micromètres et quelques millimètres. Ces lames sont ensuite rodées et polies. A first step (FIG. 3A) consists in choosing the active laser material, in orienting it and in cutting it into strips 30, of thickness ranging for example from a few hundred micrometers to a few millimeters. These blades are then lapped and polished.
Si on a affaire à un matériau piézo-électrique celui-ci est de préférence orienté de telle sorte que des ondes longitudinales parallèles à l'axe C (axe de la cavité laser, soient excitées. Si on a affaire à un matériau électro-optique (variation de l'indice de réfraction), on orientera aussi de préférence l'axe cristallographique C selon l'axe de la cavité laser, ceci pour éviter notamment les basculements de polarisation. Mais ce n'est pas un impératif et d'autres configurations peuvent être imaginées en fonction de la nature exacte du matériau utilisé. If we are dealing with a piezoelectric material, it is preferably oriented so that longitudinal waves parallel to the axis C (axis of the laser cavity, are excited. If we are dealing with an electro-optical material (variation of the refractive index), the crystallographic axis C will also preferably be oriented along the axis of the laser cavity, this in particular to avoid polarization tilting, but this is not an imperative and others configurations can be imagined depending on the exact nature of the material used.
On dépose ensuite les couches 32, 34 de miroirs d'entrée et de sortie. I1 s'agit par exemple de miroirs dichroïques, obtenus par un dépôt de multicouches diélectriques. The layers 32, 34 of input and output mirrors are then deposited. These are, for example, dichroic mirrors, obtained by depositing dielectric multilayers.
Ensuite (figure 3B) on dépose sur les couches 32 et 34, des couches d'un matériau conducteur. Puis, par masquage mécanique et gravure par "lift-off", on grave ces couches de façon à déterminer des zones 36, 38, 40, 42 adaptées à des microlasers individuels. Then (Figure 3B) is deposited on the layers 32 and 34, layers of a conductive material. Then, by mechanical masking and etching by "lift-off", these layers are engraved so as to determine zones 36, 38, 40, 42 adapted to individual microlasers.
Pour la réalisation d'une structure du type de celle de la figure 2, l'ordre de dépôt des couches de miroir et des couches d'électrodes est inversé. For the production of a structure of the type of that of FIG. 2, the order of deposition of the mirror layers and of the electrode layers is reversed.
Dans une troisième étape (figure 3C) on réalise des prises de contact 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58 pour chaque couche conductrice 36, 38, 40, 42. In a third step (FIG. 3C), contact points 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58 are made for each conductive layer 36, 38, 40, 42.
La dernière étape (figure 3D) est une étape de découpe des cavités microlasers individuelles. Chaque cavité comporte alors un milieu actif laser, ses miroirs d'entrée et de sortie, ses couches conductrices et ses plots de contact. The last step (Figure 3D) is a step of cutting the individual microlaser cavities. Each cavity then comprises an active laser medium, its input and output mirrors, its conductive layers and its contact pads.
L'ensemble peut ensuite être couplé à une diode de pompage directement hybridée sur la cavité microlaser ou reliée à celle-ci par une fibre optique. The assembly can then be coupled to a pumping diode directly hybridized to the microlaser cavity or connected to it by an optical fiber.
Un autre mode de réalisation de l'invention va être décrit en liaison avec les figures 4 et 5. Another embodiment of the invention will be described in connection with FIGS. 4 and 5.
Sur ces figures, la référence 62 désigne le milieu actif du microlaser. La cavité microlaser est limitée d'une part par un miroir d'entrée 64 et d'autre part par un miroir d'entrée 66. Elle comporte en outre un élément 68 présentant des propriétés piézoélectriques ou électro-optiques. Les propriétés de ce matériau sont commandées avec des électrodes 70, 72 qui permettent d'y établir un champ électrique longitudinal : les lignes de champ longitudinal sont représentées, à l'intérieur du milieu 68, sur la figure 5. Le champ est donc orienté suivant un axe parallèle à la direction du faisceau laser 86 émis par le microlaser et/ou suivant la direction du faisceau de pompage du microlaser. Par des contacts 71, 73 les électrodes 70, 72 sont reliées à des moyens de commande de la tension. L'ensemble de la structure est pompé à l'aide d'une diode laser 80 qui émet un faisceau de pompage 82. Ce faisceau est collimaté et focalisé à l'aide de moyens 84 de collimation et de focalisation dans le milieu amplificateur 62. In these figures, the reference 62 designates the active medium of the microlaser. The microlaser cavity is limited on the one hand by an input mirror 64 and on the other hand by an input mirror 66. It further comprises an element 68 having piezoelectric or electro-optical properties. The properties of this material are controlled with electrodes 70, 72 which make it possible to establish a longitudinal electric field there: the longitudinal field lines are represented, inside the medium 68, in FIG. 5. The field is therefore oriented along an axis parallel to the direction of the laser beam 86 emitted by the microlaser and / or along the direction of the pumping beam of the microlaser. By contacts 71, 73 the electrodes 70, 72 are connected to voltage control means. The entire structure is pumped using a laser diode 80 which emits a pumping beam 82. This beam is collimated and focused using means 84 for collimation and focusing in the amplifying medium 62.
Selon le mode de réalisation représenté, l'électrode 70 se situe entre le milieu actif laser 62 et le milieu 68. Elle est constituée essentiellement d'une couche de matériau conducteur qui est transparente à la longueur d'onde du faisceau laser. According to the embodiment shown, the electrode 70 is located between the active laser medium 62 and the medium 68. It essentially consists of a layer of conductive material which is transparent at the wavelength of the laser beam.
Elle n'est pas nécessairement transparente à la longueur d'onde de pompage du milieu actif : elle peut absorber ou réfléchir la puissance de pompage. La réflexion est toutefois favorable. Dans un mode particulier de réalisation, on peut utiliser de 1'ITO. It is not necessarily transparent to the pumping wavelength of the active medium: it can absorb or reflect the pumping power. The reflection is however favorable. In a particular embodiment, ITO can be used.
Un tel matériau présente l'avantage d'avoir une résistivité faible, de l'ordre de 2.10-3 à 5 5.10 3 Qm de plus, un autre avantage de ce matériau, au cas où le milieu actif 62 est du YAG: Nd, est d'avoir un indice de réfraction proche de celui du matériau amplificateur. En effet, typiquement, on a - niTc=l, 80, - nyAG=1,82. Such a material has the advantage of having a low resistivity, of the order of 2.10-3 to 5 5.10 3 Qm more, another advantage of this material, in the case where the active medium 62 is YAG: Nd, is to have a refractive index close to that of the amplifying material. Indeed, typically, we have - niTc = 1.80, - nyAG = 1.82.
Ainsi, avec de tels indices, la différence nITO-nyAG~0,02 est faible, ce qui permet de réaliser une bonne adaptation d'impédance entre les deux milieux. De plus, toujours dans le cas de 1'ITO, l'absorption spécifique de l'électrode 70 est faible, car la partie imaginaire K de l'indice de réfraction est de l'ordre de 10-2 à 1,064 pm, où K est tel que : n=nIT-iK. Thus, with such indices, the difference nITO-nyAG ~ 0.02 is small, which makes it possible to achieve a good impedance adaptation between the two media. In addition, still in the case of ITO, the specific absorption of electrode 70 is low, since the imaginary part K of the refractive index is of the order of 10-2 to 1.064 pm, where K is such that: n = nIT-iK.
Ceci permet de garder un seuil raisonnable de fonctionnement pour le microlaser. This keeps a reasonable operating threshold for the microlaser.
Quant à l'électrode 72, elle peut être par exemple réalisée en un matériau conducteur tel que du cuivre, et être munie d'un trou 73 en son centre, ce qui permet de laisser passer le faisceau laser 86 émis par la cavité microlaser. As for the electrode 72, it can for example be made of a conductive material such as copper, and be provided with a hole 73 in its center, which allows the laser beam 86 emitted by the microlaser cavity to pass through.
On peut par exemple imposer à l'électrode 70 un potentiel V(t), tandis que l'électrode 72 est maintenue à un potentiel nul. One can for example impose on the electrode 70 a potential V (t), while the electrode 72 is maintained at a zero potential.
Sur la figure 5, sont représentées, à l'intérieur du milieu 68, quelques lignes du champ longitudinal appliqué. L'association des électrodes 70, 72 forme en quelque sorte un condensateur dans lequel est logé le matériau piézoélectrique ou électro-optique 68 (par exemple en LiNbO3 ou en LiTaO3). In Figure 5, there are shown, inside the middle 68, a few lines of the applied longitudinal field. The combination of electrodes 70, 72 forms a sort of capacitor in which is housed the piezoelectric or electro-optical material 68 (for example made of LiNbO3 or LiTaO3).
Le matériau constitutif du milieu actif laser 62 peut être dopé au néodyme (Nd) pour une émission laser autour de 1,06 pm. Ce matériau peut être choisi, par exemple, parmi l'un des matériaux suivants : YAG
(Y3Al5O12), LMA (LaMgAl11O19), YV04, YSO (Y2SiOs), YLF
(YLiF4) ou GdVO4, etc.The material constituting the active laser medium 62 can be doped with neodymium (Nd) for a laser emission around 1.06 μm. This material can be chosen, for example, from one of the following materials: YAG
(Y3Al5O12), LMA (LaMgAl11O19), YV04, YSO (Y2SiOs), YLF
(YLiF4) or GdVO4, etc.
Pour des émissions à d'autres longueurs d'ondes on choisira des matériaux et des dopants différents. En général, les ions actifs sont choisis parmi - Nd pour une émission autour de 1,06 pm, - Er ou un codopage erbium-ytterbium Er+Yb pour une
émission autour de 1,5 um, - Tm ou Ho ou un codopage de thulium et d'holmium pour
une émission autour de 2 um.For emissions at other wavelengths, different materials and dopants will be chosen. In general, the active ions are chosen from - Nd for an emission around 1.06 pm, - Er or an erbium-ytterbium codoping Er + Yb for a
emission around 1.5 µm, - Tm or Ho or a coding of thulium and holmium for
an emission around 2 µm.
Par ailleurs, de l'épaisseur e du milieu actif dépendent certaines caractéristiques du microlaser - d'une part, l'absorption du faisceau pompe est
d'autant plus forte que l'épaisseur e est grande ; en
effet, si 1o est l'intensité de la pompe incidente
sur la face d'entrée, et "a" le coefficient
d'absorption, l'intensité absorbée sur l'épaisseur e
sera donnée par
I absorbée = Io(l-e-ae), - d'autre part, le nombre de modes longitudinaux d'une
cavité Fabry-Pérot augmente avec l'épaisseur et, si
on veut réaliser un laser monomode longitudinal,
cette épaisseur doit être de préférence faible. En
effet, dans une cavité Fabry-Pérot plan-plan
d'épaisseur e, l'intervalle spectral libre dv entre
deux modes Fabry-Pérot est donné par
dv=c/2e
avec c : vitesse de la lumière.Furthermore, on the thickness e of the active medium depend certain characteristics of the microlaser - on the one hand, the absorption of the pump beam is
the greater the greater the thickness e; in
effect, if 1o is the intensity of the incident pump
on the input face, and "a" the coefficient
absorption, the intensity absorbed over the thickness e
will be given by
I absorbed = Io (le-ae), - on the other hand, the number of longitudinal modes of a
Fabry-Pérot cavity increases with thickness and, if
we want to make a longitudinal single-mode laser,
this thickness should preferably be small. In
effect, in a Fabry-Pérot cavity plan-plan
of thickness e, the free spectral interval dv between
two Fabry-Pérot modes is given by
dv = c / 2e
with c: speed of light.
Si dg est la largeur de la bande de gain
(d'émission laser) du matériau, le nombre de modes N sera donné par
N = dg/dv
On voit que, pour un matériau donné (a et dg donnés), quand e augmente, l'absorption de la pompe augmente mais N augmente également. Pour un laser monofréquence, on choisit en général l'épaisseur minimum pour N=l. Les épaisseurs typiques pour obtenir un seul mode sont - YAG L = 750 um, - YVO4 L = 500 m, - LMA L = 150 pm. If dg is the width of the gain band
(laser emission) of the material, the number of modes N will be given by
N = dg / dv
We see that, for a given material (a and dg given), when e increases, the absorption of the pump increases but N also increases. For a single-frequency laser, the minimum thickness is generally chosen for N = l. Typical thicknesses to obtain a single mode are - YAG L = 750 µm, - YVO4 L = 500 m, - LMA L = 150 µm.
Les miroirs d'entrée et de sortie 64, 66 de la cavité microlaser sont du type multicouche. Le miroir d'entrée 64 présente par exemple une réflectivfté maximale (r > 0,99) pour k=1,064 um dans le cas d'un milieu actif YAG: Nd. Dans le cas d'un autre milieu actif, le miroir 64 a une réflectivité r > 0,99 à ?, où XL est la transition de fluorescence du milieu actif laser, et une transmission maximale (t > 0,20) à la longueur d'onde de pompage Bp. Dans le cas du YAG: Nd, on a de préférence #p#0,810 um. The input and output mirrors 64, 66 of the microlaser cavity are of the multilayer type. The input mirror 64 has for example a maximum reflectivity (r> 0.99) for k = 1.064 μm in the case of an active medium YAG: Nd. In the case of another active medium, the mirror 64 has a reflectivity r> 0.99 to?, Where XL is the fluorescence transition of the active laser medium, and a maximum transmission (t> 0.20) at length. pumping wave Bp. In the case of YAG: Nd, we preferably have # p # 0.810 μm.
Le miroir de sortie 66 présente typiquement une réflectivité r > 0,99 à la longueur d'onde de pompage Xp, et une transmission à peu près égale à 0,05 à XL (pour du YAG Nd, #o#0,810 m et #L=1,064 ,um). The output mirror 66 typically has a reflectivity r> 0.99 at the pumping wavelength Xp, and a transmission approximately equal to 0.05 at XL (for YAG Nd, # o # 0.810 m and # L = 1.064, um).
Le dispositif selon l'invention peut en outre comporter une couche 74 qui est un film de colle dont l'indice de réfraction est choisi de façon à minimiser la réflectivité de l'interface entre le milieu actif laser 62 et l'élément 68. Par exemple, dans un cristal
Nd:YAG en introduisant un film de colle d'indice égal à, ou sensiblement égal à 2 et d'épaisseur égale à, ou sensiblement égale à un multiple entier de #L/4, on obtient des réflectivités parasites rp < 1,5.10-4, ce qui est négligeable. On peut aussi utiliser un film de colle ayant un indice de réfraction différent de 2 (typiquement, proche de 1,5). Dans ce cas, il est préférable de rajouter à l'interface 62-68 une couche complémentaire réalisant l'adaptation d'impédance optique, afin de minimiser la réflectivité à cette interface.The device according to the invention may also comprise a layer 74 which is a film of adhesive whose refractive index is chosen so as to minimize the reflectivity of the interface between the active laser medium 62 and the element 68. By example, in a crystal
Nd: YAG by introducing an adhesive film of index equal to, or substantially equal to 2 and of thickness equal to, or substantially equal to an integer multiple of # L / 4, parasitic reflectivities rp <1.5.10 are obtained -4, which is negligible. It is also possible to use an adhesive film having a refractive index other than 2 (typically, close to 1.5). In this case, it is preferable to add to the interface 62-68 a complementary layer carrying out the adaptation of optical impedance, in order to minimize the reflectivity at this interface.
La fréquence d'émission du microlaser dont la structure vient d'être décrite est donné par la formule
c
VL = q 2n e (1) où q est un entier, c est la vitesse de la lumière dans le vide et nl est le chemin optique équivalent dans la cavité laser.The emission frequency of the microlaser whose structure has just been described is given by the formula
vs
VL = q 2n e (1) where q is an integer, c is the speed of light in a vacuum and nl is the equivalent optical path in the laser cavity.
Pour une faible variation du chemin optique équivalent dans la cavité on a
AVL q. q- 2 = = q2 2 (tAn + nt() (2)
2n2 f2 2n212
Si par exemple, on utilise l'effet piézoélectrique longitudinal du niobate de lithium (LiNbO3), l'effet électro-optique longitudinal est négligeable par rapport à l'effet piézoélectrique lorsque la structure est excitée sur un mode proche
d'un mode résonnant. On peut alors négliger, dans
l'équation (2), le terme fAn par rapport à n#l
tVL = VL Af = Af (3)
f . hL f
Selon un exemple numérique, pour t=10-3 m,
c=3.108 m/s et R=1,064.10-6 m (cas du YAG:Nd), on a une
sensibilité 6 = Av - c C - 28,2 MHz / nm. Cet exemple
Af
explique l'intérêt d'avoir une modulation de type
piézoélectrique : pour une variation de la longueur de
cavité d'environ 10 nm on a une variation de fréquence d'environ 2,82 GHz.For a small variation of the equivalent optical path in the cavity we have
AVL q. q- 2 = = q2 2 (tAn + nt () (2)
2n2 f2 2n212
If, for example, the longitudinal piezoelectric effect of lithium niobate (LiNbO3) is used, the longitudinal electro-optical effect is negligible compared to the piezoelectric effect when the structure is excited in a close mode.
in a resonant fashion. We can then neglect, in
equation (2), the term fAn with respect to n # l
tVL = VL Af = Af (3)
f. hL f
According to a numerical example, for t = 10-3 m,
c = 3.108 m / s and R = 1.064.10-6 m (case of YAG: Nd), we have a
sensitivity 6 = Av - c C - 28.2 MHz / nm. This example
Af
explains the advantage of having a type modulation
piezoelectric: for a variation of the length of
cavity of about 10 nm we have a frequency variation of about 2.82 GHz.
Un procédé de réalisation d'un microlaser tel qu'illustré sur les figures 4 et 5 peut comporter les étapes suivantes - choix, découpe et polissage d'une lame de matériau
laser, - dépôt d'une couche de miroir d'entrée (par exemple
miroir dichroïque, obtenu par dépôt de multicouches
diélectriques), - dépôt d'une couche de matériau pour former
l'électrode intermédiaire 70, - collage d'une plaque de matériau électro-optique pu
piézoélectrique, - dépôt d'une couche de miroir de sortie (miroir
dichroïque, par exemple), - découpe et montage d'une électrode de sortie pour
chaque microlaser individuel, - couplage avec une diode de pompage. A method of producing a microlaser as illustrated in FIGS. 4 and 5 may include the following steps - selection, cutting and polishing of a blade of material
laser, - deposition of an input mirror layer (for example
dichroic mirror, obtained by depositing multilayers
dielectric), - deposition of a layer of material to form
the intermediate electrode 70, - bonding of a plate of electro-optical material pu
piezoelectric, - deposition of an output mirror layer (mirror
dichroic, for example), - cutting and mounting an output electrode for
each individual microlaser, - coupling with a pumping diode.
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